KR102579333B1 - Copper ion-exchanged BEA zeolite catalyst and catalytic reaction system for low-concentration methane combustion using the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 구리가 이온교환된 제올라이트 촉매 및 이를 이용한 저농도 메탄 연소를 위한 촉매반응시스템을 개시한다. 본 발명에 따르면, 저농도 메탄을 오존 조건 하에서 저온 연소시키기 위해 미리 설정된 SiO2/Al2O3 몰 비율을 갖는 산형 BEA 제올라이트에 구리가 이온교환된 제올라이트 촉매가 제공된다. The present invention discloses a zeolite catalyst in which copper is ion-exchanged and a catalytic reaction system for low-concentration methane combustion using the same. According to the present invention, a zeolite catalyst in which copper is ion-exchanged with acid-type BEA zeolite having a preset SiO 2 /Al 2 O 3 molar ratio is provided for low-temperature combustion of low-concentration methane under ozone conditions.

Description

구리가 이온교환된 BEA 제올라이트 촉매 및 이를 이용한 저농도 메탄 연소를 위한 촉매반응시스템{Copper ion-exchanged BEA zeolite catalyst and catalytic reaction system for low-concentration methane combustion using the same}Copper ion-exchanged BEA zeolite catalyst and catalytic reaction system for low-concentration methane combustion using the same}

본 발명은 구리가 이온교환된 BEA 제올라이트 촉매 및 이를 이용한 저농도 메탄 연소를 위한 촉매반응시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a copper ion-exchanged BEA zeolite catalyst and a catalytic reaction system for low-concentration methane combustion using the same.

급격한 산업화로 화석연료의 과다한 사용이 이어지는 가운데, 이로 인해 발생하는 오염물질을 줄이고자 친환경 에너지 개발의 관심이 높아지는 추세이다. As rapid industrialization continues to lead to excessive use of fossil fuels, interest in the development of eco-friendly energy is increasing to reduce the pollutants generated.

그 중 천연가스는 풍부한 매장량과 경제성으로 각광을 받고 있다. 천연가스는 메탄을 주성분으로 하고 에탄, 프로판, 부탄 등과 같은 경질 탄화수소를 포함하는 혼합가스로 해저 또는 육상의 가스전에서 채굴된다. Among them, natural gas is attracting attention due to its abundant reserves and economic feasibility. Natural gas is a mixed gas containing methane as a main ingredient and light hydrocarbons such as ethane, propane, and butane, and is mined from gas fields on the sea floor or on land.

가스전에서 채굴되는 가스는 수송수단이 없던 시절에는 태워버렸으나 배관기술의 발달로 장거리 수송이 가능하게 되었다. 천연가스는 액체 연료에 비해 수송과 저장이 어려워 이용대상과 범위가 제한되어왔으나 1960년 액화공정의 개발로 산지로부터 가스를 액화시켜 해상수송 수단이 가능해짐에 따라 이용대상이 확대되었다. Gas mined from gas fields was burned when there was no means of transportation, but with the development of piping technology, long-distance transportation became possible. Natural gas has been difficult to transport and store compared to liquid fuel, so the scope and scope of its use have been limited. However, with the development of the liquefaction process in 1960, the use of natural gas expanded as marine transportation became possible by liquefying gas from the source.

그러나 천연가스의 주성분인 메탄의 대기 배출량이 증가되어 지구온난화 등의 환경문제가 대두되고 있다.However, as atmospheric emissions of methane, the main component of natural gas, increase, environmental problems such as global warming are emerging.

메탄의 단위 분자당 온실효과는 이산화탄소보다 약 70 배 높은 것으로 알려져 있으나, 강력한 C-H 단일결합으로 인해 탄화수소 중 산화를 통한 분해가 가장 어렵다. The greenhouse effect per unit molecule of methane is known to be about 70 times higher than that of carbon dioxide, but it is the most difficult to decompose through oxidation among hydrocarbons due to its strong C-H single bond.

온실효과에 막대한 영향을 미치는 메탄은 화석연료 (석탄, 원유, 가스) 채굴, 매립지 폐기물, 가축분뇨, 천연가스 내연기관 (자동차, 선박 등) 등 다양한 배출원으로부터 배출되고 있다. Methane, which has a significant impact on the greenhouse effect, is emitted from various sources, including fossil fuel (coal, crude oil, gas) mining, landfill waste, livestock waste, and natural gas internal combustion engines (cars, ships, etc.).

특히 천연가스 내연기관에서 배출되는 미연소 메탄은 엔진 내부의 온도가 통상적인 경우보다 낮은 Cold start 조건에서 많이 발생된다. 엔진 내부가 고온이어서 배출가스 온도가 350°C 이상인 경우에는 충분한 열에너지 공급으로 인해 촉매에 의한 메탄의 연소반응이 원활히 유도될 수 있지만, 엔진 시동 초기의 Cold start 조건일 때에는 메탄이 연소되기에는 낮은 온도로 인해 반응되지 못한 저농도의 메탄이 그대로 배출되는 문제가 발생한다.In particular, a lot of unburned methane emitted from natural gas internal combustion engines is generated under cold start conditions where the temperature inside the engine is lower than normal. When the temperature inside the engine is high and the exhaust gas temperature is above 350°C, the combustion reaction of methane by the catalyst can be smoothly induced by sufficient heat energy supply, but under cold start conditions at the beginning of the engine start, the temperature is low for methane to be burned. This causes the problem that low-concentration methane that has not been reacted is discharged as is.

저농도 메탄의 연소에 대한 효과적인 촉매로는 주로 Pd 계열의 귀금속 촉매가 많이 사용되고 있으나, 값비싼 가격으로 인한 경제성의 문제가 있어 비귀금속 산화물 촉매로 대체하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. Pd-based noble metal catalysts are mainly used as effective catalysts for the combustion of low-concentration methane, but due to economic problems due to their high price, research is being actively conducted to replace them with non-precious metal oxide catalysts.

그러나 비귀금속 기반의 촉매는 50%의 메탄을 연소시키기 위해 일반적으로 350°C 이상의 높은 온도조건이 필요하며, 높은 반응온도 조건은 후처리 장치의 에너지 효율 및 촉매 내구성 측면에서 불리하다. 따라서 각종 이동원 (천연가스 자동차) 및 고정원들에서 배출되는 저농도의 메탄을 효율적으로 연소시키기 위해서는 비귀금속 촉매를 사용하고 낮은 에너지만을 소모하는 새로운 개념의 촉매반응시스템 개발이 필요하다.However, non-precious metal-based catalysts generally require high temperature conditions of 350°C or more to burn 50% of methane, and high reaction temperature conditions are disadvantageous in terms of energy efficiency of the post-treatment device and catalyst durability. Therefore, in order to efficiently burn low-concentration methane emitted from various mobile sources (natural gas vehicles) and fixed sources, it is necessary to develop a new concept of catalytic reaction system that uses non-precious metal catalysts and consumes only low energy.

대한민국특허등록공보 10-2044604Republic of Korea Patent Registration Publication 10-2044604

상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 저온에서의 저농도 메탄 연소 활성을 향상시킬 수 있는 구리가 이온교환된 BEA 제올라이트 촉매 및 이를 이용한 저농도 메탄 연소를 위한 촉매반응시스템을 제안하고자 한다. In order to solve the problems of the prior art described above, the present invention seeks to propose a copper ion-exchanged BEA zeolite catalyst that can improve low-concentration methane combustion activity at low temperatures and a catalytic reaction system for low-concentration methane combustion using the same.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 저농도 메탄을 오존 조건 하에서 저온 연소시키기 위해 미리 설정된 SiO2/Al2O3 몰 비율을 갖는 산형 BEA 제올라이트에 구리가 이온교환된 제올라이트 촉매가 제공된다. In order to achieve the above-described object, according to an embodiment of the present invention, copper is ion-exchanged in acid-type BEA zeolite having a preset SiO 2 /Al 2 O 3 molar ratio in order to burn low-concentration methane at low temperature under ozone conditions. A zeolite catalyst is provided.

상기 저농도 메탄은 125 내지 175°C 온도에서 저온 연소될 수 있다. The low-concentration methane can be burned at a low temperature of 125 to 175 °C.

상기 Cu/Al 몰 비율은 0.20 내지 0.30 범위를 가질 수 있다. The Cu/Al molar ratio may range from 0.20 to 0.30.

상기 저농도 메탄과 상기 오존의 농도 비는 1:4 내지 1:6 범위를 가질 수 있다. The concentration ratio of the low-concentration methane and the ozone may range from 1:4 to 1:6.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 저농도 메탄을 오존 조건 하에서 저온 연소시키기 위한 제올라이트 촉매의 제조 방법으로서, 암모늄 염 형태의 제올라이트를 미리 설정된 시간 및 온도에서 열처리하여 수소 양이온이 알루미늄 음이온에 결합된 미리 설정된 SiO2/Al2O3 몰 비율을 갖는 산형 BEA 제올라이트로 변환하는 단계; 질산구리 수용액에 상기 산형 제올라이트를 첨가하여 교반하는 단계; 여과 장치를 통해 고체상 촉매를 분리하는 단계; 상기 분리된 고체상 촉매를 세척 및 건조하는 단계; 및 상기 세척 및 건조된 고체상 촉매를 소성하여 구리가 이온교환된 촉매를 제조하는 단계를 포함하는 제올라이트 촉매의 제조 방법이 제공된다. According to another aspect of the present invention, there is a method for producing a zeolite catalyst for low-temperature combustion of low-concentration methane under ozone conditions, in which zeolite in the form of an ammonium salt is heat-treated at a preset time and temperature to form a preset SiO in which hydrogen cations are bonded to aluminum anions. Converting to acid-type BEA zeolite with a 2 /Al 2 O 3 molar ratio; Adding and stirring the acid-type zeolite to an aqueous copper nitrate solution; separating the solid phase catalyst through a filtration device; Washing and drying the separated solid phase catalyst; and calcining the washed and dried solid catalyst to prepare a catalyst in which copper is ion-exchanged.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 저농도 메탄의 저온 연소를 위한 촉매반응시스템으로서, 산소 또는 공기의 산화 반응을 통해 생성된 오존을 공급하는 유전체 방전 플라즈마 (Dielectric barrier discharge, 이하 DBD) 반응기; 및 미리 설정된 SiO2/Al2O3 몰 비율을 갖는 산형 BEA 제올라이트에 구리가 이온교환된 제올라이트 촉매가 충전되며, 상기 DBD 반응기로부터 공급되는 오존을 이용하여 상기 저농도 메탄을 저온 조건 하에서 연소시키는 촉매연소반응기를 포함하는 촉매반응시스템이 제공된다. According to another aspect of the present invention, there is provided a catalytic reaction system for low-temperature combustion of low-concentration methane, comprising: a dielectric barrier discharge (DBD) reactor that supplies ozone generated through an oxidation reaction of oxygen or air; And a zeolite catalyst in which copper is ion-exchanged is charged to an acid-type BEA zeolite having a preset SiO 2 /Al 2 O 3 molar ratio, and catalytic combustion in which the low-concentration methane is burned under low-temperature conditions using ozone supplied from the DBD reactor. A catalytic reaction system including a reactor is provided.

본 발명에 따르면, 기존에 사용되던 산화제보다 더 강력한 산화성능을 보이는 오존을 사용하여 저온에서의 저농도 메탄 연소성능을 극대화시킬 수 있고, 200~250°C 부근에서 메탄산화 활성을 보이는 N2O 산화제와 달리 더 낮은 저온에서 활성산소종을 생성하는 오존을 산화제로 사용함으로써 현저하게 낮은 온도에서의 메탄 연소성능을 향상시킬 수 있다. According to the present invention, low-concentration methane combustion performance at low temperatures can be maximized by using ozone, which has stronger oxidation performance than previously used oxidizers, and a N 2 O oxidant that exhibits methane oxidation activity around 200 to 250 ° C. Unlike this, methane combustion performance at significantly lower temperatures can be improved by using ozone, which generates reactive oxygen species at lower temperatures, as an oxidizing agent.

또한, 추가적인 열원 도입 없이 저온 조건에서 메탄 연소를 구현함으로써 후처리장치의 에너지 효율을 높이고 운전비용 절감 효과를 기대할 수 있다. In addition, by implementing methane combustion under low temperature conditions without introducing an additional heat source, the energy efficiency of the post-treatment device can be increased and operating costs can be reduced.

뿐만 아니라, 기존에 보고된 값비싼 귀금속을 사용한 20 wt% 담지 Pd 기반 촉매의 경우 50% 메탄 전환율 확보를 위해 233°C의 온도가 필요한 반면, 오존과 구리 이온교환 제올라이트 촉매를 조합했을 때, 50%의 메탄 전환율을 125~175°C 이하의 온도조건에서 확보할 수 있어 값비싼 귀금속을 값싼 전이금속인 구리로 대체함으로써 막대한 비용절감을 기대할 수 있다.In addition, in the case of the previously reported 20 wt% supported Pd-based catalyst using expensive precious metals, a temperature of 233°C was required to secure 50% methane conversion, whereas when ozone and copper ion exchange zeolite catalyst were combined, 50% % methane conversion rate can be secured under temperature conditions below 125~175°C, so enormous cost savings can be expected by replacing expensive precious metals with copper, a cheap transition metal.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 저농도 메탄의 저온 연소를 위한 구리가 이온교환된 제올라이트 촉매의 제조 과정을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 구리가 이온교환된 제올라이트 촉매의 XRD(X-ray diffraction) 그래프를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 저농도 메탄 연소를 위한 촉매반응시스템의 구성을 도시한 도면이다.
도 4 내지 도 5는 BEA 구조의 제올라이트에 구리를 이온교환시킨 촉매의 저농도 메탄 연소성능을 그래프로 나타낸 도면이다.
도 6 내지 도 9는 MFI 구조의 ZSM-5 제올라이트에 구리를 이온교환시킨 촉매의 저농도 메탄 연소 성능을 그래프로 나타낸 도면이다.
도 10은 메탄 500 ppm에 따른 오존의 농도를 2,200~3,000 ppm으로 증가하며 저농도 메탄 연소성능을 그래프로 나타낸 도면이다.
Figure 1 is a diagram showing the manufacturing process of a zeolite catalyst in which copper is ion-exchanged for low-temperature combustion of low-concentration methane according to a preferred embodiment of the present invention.
Figure 2 shows an XRD (X-ray diffraction) graph of a zeolite catalyst in which copper is ion-exchanged according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a diagram showing the configuration of a catalytic reaction system for low-concentration methane combustion according to an embodiment of the present invention.
Figures 4 and 5 are graphs showing the low-concentration methane combustion performance of a catalyst obtained by ion-exchanging copper with BEA-structured zeolite.
Figures 6 to 9 are graphs showing the low-concentration methane combustion performance of a catalyst obtained by ion-exchanging copper with ZSM-5 zeolite of the MFI structure.
Figure 10 is a graph showing low-concentration methane combustion performance as the concentration of ozone increases from 2,200 to 3,000 ppm according to 500 ppm of methane.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.Since the present invention can make various changes and have various embodiments, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and should be understood to include all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention.

본 발명에서는 오존에 의한 저농도 메탄 산화반응을 효과적으로 유도할 수 있는 구리가 이온교환된 제올라이트 촉매를 제안하며, 최적의 구리 이온교환양 범위를 제시한다. 또한 본 실시예에 따른 촉매가 효과적인 활성을 보일 수 있는 반응온도, 메탄 대비 오존 농도, 공급되는 기체의 유속 대비 촉매량(w/f) 등의 최적 반응조건들을 제시한다.The present invention proposes a copper ion-exchanged zeolite catalyst that can effectively induce a low-concentration methane oxidation reaction by ozone, and suggests the optimal copper ion exchange amount range. In addition, optimal reaction conditions such as reaction temperature at which the catalyst according to this example can show effective activity, ozone concentration compared to methane, and catalyst amount (w/f) compared to the flow rate of supplied gas are presented.

제올라이트는 화학 공정에서 촉매, 촉매 지지체, 흡착제 및 이온교환 물질로서의 가치가 있다. 제올라이트는 결정질 알루미늄 규산염 산화물 (Aluminosilicate)을 의미하며 규소와 알루미늄이 각각 산소와 결합하여 사면체 구조를 형성하고 있다. 3가 양이온의 알루미늄에 2가 음이온의 산소 4개가 결합한 알루미늄 사면체는 1가 음이온을 가지게 된다. 이 음이온에 수소 양이온, 암모늄 이온 및 소듐 이온이 결합되어 있으나, 다른 금속 양이온으로의 이온교환이 가능하다. Zeolites are valuable as catalysts, catalyst supports, adsorbents, and ion exchange materials in chemical processes. Zeolite refers to crystalline aluminum silicate oxide (Aluminosilicate), where silicon and aluminum each combine with oxygen to form a tetrahedral structure. The aluminum tetrahedron, in which four oxygen atoms of a divalent anion are bonded to the aluminum of a trivalent cation, has a monovalent anion. Hydrogen cations, ammonium ions, and sodium ions are bound to this anion, but ion exchange with other metal cations is possible.

제올라이트에 고립종 (isolated species)으로 교환된 금속이온은 활성금속의 고분산 효과를 유도할 수 있고 열 응집 (Thermal Agglomeration)에 의한 촉매성능 저하를 방지할 수 있다. 많은 연구에서 10 이상 높은 Si/Al 비율의 제올라이트가 주로 사용되고 있는데 그 이유는 Si/Al 비율이 높을수록 제올라이트의 구조 안정성이 증가하기 때문이다. Si/Al 비율이 낮으면 이온교환 활성점의 증가로 활성금속의 치환량이 많아지므로 구조적인 불안정성을 야기할 수 있다.Metal ions exchanged as isolated species in zeolite can induce the effect of high dispersion of active metals and prevent deterioration of catalytic performance due to thermal agglomeration. In many studies, zeolites with a Si/Al ratio higher than 10 are mainly used because the structural stability of zeolite increases as the Si/Al ratio increases. If the Si/Al ratio is low, the amount of active metal substitution increases due to an increase in ion exchange active sites, which may cause structural instability.

이하에서는 도면을 참조하여, 구리가 이온교환된 제올라이트 촉매의 제조 과정 및 저농도 메탄 산화반응에 대해 상세하게 설명한다. Hereinafter, with reference to the drawings, the manufacturing process of the copper ion-exchanged zeolite catalyst and the low-concentration methane oxidation reaction will be described in detail.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 저농도 메탄의 저온 연소를 위한 구리가 이온교환된 제올라이트 촉매의 제조 과정을 도시한 도면이다. Figure 1 is a diagram showing the manufacturing process of a zeolite catalyst in which copper is ion-exchanged for low-temperature combustion of low-concentration methane according to a preferred embodiment of the present invention.

본 실시예에서, 저농도 메탄은 대기 중 1 부피퍼센트 이하의 농도로 정의되며, 특히 내연기관에서 Cold start 조건에서 발생하는 미연소된 메탄일 수 있다. In this embodiment, low concentration methane is defined as a concentration of 1 volume percent or less in the atmosphere, and may be unburned methane generated under cold start conditions, especially in an internal combustion engine.

우선, 건조공기 흐름조건에서 미리 설정된 온도 및 시간동안 열처리하여 암모늄 염 형태의 제올라이트를 수소 양이온이 알루미늄 음이온에 결합된 산형 제올라이트로 변환한다(단계 100).First, the zeolite in the form of an ammonium salt is converted into an acid-type zeolite in which hydrogen cations are bonded to aluminum anions by heat treatment for a preset temperature and time under dry air flow conditions (step 100).

여기서, 열처리 온도 및 시간은 500°C에서 4시간일 수 있다. Here, the heat treatment temperature and time may be 4 hours at 500°C.

본 실시예에서는 다양한 구조의 제올라이트에 구리를 이온교환시킨 촉매를 생성하며, 소듐염 형태의 제올라이트는 산형 제올라이트를 상온조건의 질산소듐 용액 상에서 24시간 교반하여 합성한다. In this example, a catalyst is produced by ion-exchanging copper with zeolites of various structures, and zeolite in the form of sodium salt is synthesized by stirring acid-type zeolite in a sodium nitrate solution at room temperature for 24 hours.

변형된 산형 또는 소듐염 제올라이트를 적절한 농도의 질산구리 수용액에 투입하여 24시간 교반한다(단계 102). The modified acid or sodium salt zeolite is added to an aqueous copper nitrate solution of appropriate concentration and stirred for 24 hours (step 102).

교반을 완료한 후 여과장치를 통해 수용액과 고체상 촉매를 분리한 후(단계 104), 과량의 탈이온수를 이용하여 촉매를 세척한다(단계 106).After completing the stirring, the aqueous solution and the solid catalyst are separated through a filtration device (step 104), and then the catalyst is washed using an excess amount of deionized water (step 106).

이후, 공기 조건에서 120°C, 12시간 동안 건조하고(단계 108), 550°C, 12시간 소성을 거쳐 구리가 이온교환된 제올라이트 촉매를 제조한다(단계 110).Afterwards, it is dried under air conditions at 120°C for 12 hours (step 108), and then calcined at 550°C for 12 hours to prepare a zeolite catalyst in which copper is ion-exchanged (step 110).

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 구리가 이온교환된 제올라이트 촉매의 XRD(X-ray diffraction) 그래프를 나타낸 것이다. Figure 2 shows an XRD (X-ray diffraction) graph of a zeolite catalyst in which copper is ion-exchanged according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 미분해 구리 전구체 (Cu(NO3)2)와 구리 산화물 (CuO)이 관찰되지 않은 상태에서 제올라이트 결정면에 대한 회절 패턴들만이 관찰됨에 따라, 구리 이온이 제올라이트 구조 격자 내에 효과적으로 고분산되어 이온교환되었음을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 2, as only diffraction patterns for the zeolite crystal plane were observed in the absence of undissolved copper precursor (Cu(NO 3 ) 2 ) and copper oxide (CuO), copper ions were effectively distributed within the zeolite structural lattice. It can be confirmed that it was highly dispersed and ion exchanged.

본 실시예에 따른 촉매는 저농도 메탄의 저온 연소를 위한 촉매반응시스템에 적용되며, 촉매반응시스템은 산소 또는 공기의 산화 반응을 통해 생성된 오존을 공급하는 유전체 방전 플라즈마 (Dielectric barrier discharge, 이하 DBD) 반응기 및 구리가 이온교환된 제올라이트 촉매가 충전되며, DBD 반응기로부터 공급되는 오존을 이용하여 상기 저농도 메탄을 저온 조건 하에서 연소시키는 촉매연소반응기를 포함할 수 있다. The catalyst according to this embodiment is applied to a catalytic reaction system for low-temperature combustion of low-concentration methane, and the catalytic reaction system is a dielectric discharge plasma (Dielectric barrier discharge, hereinafter referred to as DBD) that supplies ozone generated through the oxidation reaction of oxygen or air. The reactor and a zeolite catalyst in which copper is ion-exchanged are charged, and may include a catalytic combustion reactor that burns the low-concentration methane under low-temperature conditions using ozone supplied from the DBD reactor.

본 실시예에서, DBD(Dielectric Barrier Discharge) 플라즈마 반응기는 유전체인 석영관의 외부를 둘러싸고 있는 SUS mesh와 원통 중앙에 Copper rod로 구성하였다. Power Supplier (Jungwoo System)를 이용해 409 Hz에 해당하는 주파수와 2차단 기준 16.0 kV 크기의 교류 (AC) 전압입력을 DBD 플라즈마 반응기에 공급하였고, Oscilloscope (Tektronix TDS 220)을 이용하여 플라즈마 반응기 상에서 형성되는 전압 및 전류의 파형과 크기를 관찰하였다.In this example, the DBD (Dielectric Barrier Discharge) plasma reactor was composed of a SUS mesh surrounding the outside of the dielectric quartz tube and a copper rod in the center of the cylinder. Using a Power Supplier (Jungwoo System), an alternating current (AC) voltage input with a frequency of 409 Hz and a size of 16.0 kV for the second cut-off was supplied to the DBD plasma reactor, and an oscilloscope (Tektronix TDS 220) was used to supply the The waveforms and sizes of voltage and current were observed.

반응에 공급되는 총 유량의 10%에 해당하는 O2 (99.999%)을 플라즈마 반응기 내부로 흘려 주었으며, 2차 전압의 제어를 통해 오존 농도를 조절하였다. 생성된 오존과 미반응 산소는 메탄 가스와 질소 가스 흐름과 함께 촉매연소 반응기에 주입되었다.O 2 (99.999%) equivalent to 10% of the total flow rate supplied to the reaction was flowed into the plasma reactor, and the ozone concentration was adjusted by controlling the secondary voltage. The generated ozone and unreacted oxygen were injected into the catalytic combustion reactor along with methane gas and nitrogen gas flows.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 저농도 메탄 연소를 위한 촉매반응시스템의 구성을 도시한 도면이다. Figure 3 is a diagram showing the configuration of a catalytic reaction system for low-concentration methane combustion according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 1/2 inch 석영관의 유리섬유 (Glass wool) 지지층 위에 촉매를 올려 고정층을 형성하였다. 반응기체는 CH4 (500 ppm) + O3 (2,200~3,000 ppm) + O2 (10%) + N2 (Balance)로 구성하였고, 53.3 ml/min의 유속과 촉매중량 80 mg으로 각각 고정하여 w/f 조건을 1.5 mg·min/ml으로 설정하였다. 연소반응은 촉매 고정층 전단온도를 75 내지 225°C로 변화시켜 가며 등온실험 형태로 진행하였다. Referring to Figure 3, a catalyst was placed on a glass wool support layer of a 1/2 inch quartz tube to form a fixed layer. The reaction gas consisted of CH 4 (500 ppm) + O 3 (2,200~3,000 ppm) + O 2 (10%) + N 2 (Balance), and the flow rate was fixed at 53.3 ml/min and the catalyst weight was 80 mg. The w/f condition was set at 1.5 mg·min/ml. The combustion reaction was conducted in the form of an isothermal experiment by varying the catalyst fixed bed shear temperature from 75 to 225°C.

촉매반응기 후단에 225°C로 가열된 빈관 반응기를 연결하여 미반응 오존을 제거한 후 메탄화장치 (Methanizer)가 장착된 기체 크로마토그래피 (영인크로매스, YL6500GC)를 이용해 메탄 전환율과 생성물의 선택도를 측정하였다. 메탄 전환율과 생성물 (CO 및 CO2)의 선택도는 아래의 수식들을 이용해 계산하였다.After removing unreacted ozone by connecting a hollow tube reactor heated to 225°C at the rear of the catalytic reactor, methane conversion rate and product selectivity were measured using gas chromatography (Youngin Chromatography, YL6500GC) equipped with a methanizer. Measured. Methane conversion rate and selectivity of products (CO and CO 2 ) were calculated using the formulas below.

기체 크로마토그래피에 사용한 분리 컬럼은 Carboxen 1000 (Packed Column, 60/80 mesh, 1/8 in *15 ft, SUS tube)을 사용하였으며, 컬럼 온도는 150°C에서 일정하게 유지하였다. 이때, 이동상 기체는 10 ml/min의 N2를 사용하였으며, 불꽃 이온화 검출기 (Flame Ionization Detector, FID)를 사용하여 생성물 및 미반응 메탄의 농도를 정량하였다.The separation column used in gas chromatography was Carboxen 1000 (Packed Column, 60/80 mesh, 1/8 in *15 ft, SUS tube), and the column temperature was kept constant at 150°C. At this time, 10 ml/min of N 2 was used as the mobile phase gas, and the concentration of product and unreacted methane was quantified using a flame ionization detector (FID).

이하에서는 본 실시예에 따른 촉매에 사용되는 제올라이트 종류, Cu/Al 몰 비율, 오존의 농도 및 공급되는 기체의 유속 대비 촉매량에 따른 저농도 메탄 연소 성능에 대해 상세하게 설명한다. Below, the type of zeolite used in the catalyst according to this example, Cu/Al molar ratio, ozone concentration, and catalyst amount compared to the flow rate of the supplied gas will be described. Low-concentration methane combustion performance is explained in detail.

이하에서의 실험은 25°C 간격으로 75~225°C 사이의 낮은 온도에서 500 ppm의 저농도 메탄을 다양한 구리 이온교환 제올라이트 촉매와 오존 산화제를 이용하여 연소시켰으며, 대부분 150°C 부근에서 최대의 메탄 연소 성능을 보였다. In the experiment below, low-concentration methane of 500 ppm was burned at low temperatures between 75 and 225°C at 25°C intervals using various copper ion exchange zeolite catalysts and ozone oxidizers, with the maximum combustion occurring around 150°C in most cases. Methane combustion performance was shown.

동일한 메탄 농도 (500 ppm)에 대해 산화제인 오존의 농도를 2,200~3,000 ppm으로 증가시켰을 때 대체적으로 오존 농도가 높아질수록 메탄 연소성능이 향상되는 경향을 보였다.When the concentration of ozone, an oxidizing agent, was increased to 2,200-3,000 ppm for the same methane concentration (500 ppm), methane combustion performance generally tended to improve as the ozone concentration increased.

(실시예 1) 촉매에 사용되는 제올라이트의 종류에 따른 저농도 메탄 연소 성능의 비교(Example 1) Comparison of low-concentration methane combustion performance according to the type of zeolite used in the catalyst

도 4 내지 도 5는 BEA 구조의 제올라이트에 구리를 이온교환시킨 촉매의 저농도 메탄 연소성능을 그래프로 나타낸 것이고, 도 6 내지 도 9는 MFI 구조의 ZSM-5 제올라이트에 구리를 이온교환시킨 촉매의 저농도 메탄 연소 성능을 그래프로 나타낸 것이다. Figures 4 and 5 graphically show the low-concentration methane combustion performance of a catalyst obtained by ion-exchanging copper with a BEA-structured zeolite, and Figures 6-9 show low-concentration methane combustion performance of a catalyst obtained by ion-exchanging copper with a ZSM-5 zeolite of an MFI structure. This is a graph showing methane combustion performance.

실험 조건은 촉매량 80 mg이며 공급된 메탄의 농도는 500 ppm으로 동일하게 설정하였다. 산화제인 오존의 농도는 2,500 ppm으로 조절하였으며, w/f는 1.5 mg·min/ml으로 모두 동일하다. 모든 도면의 가로축은 등온 반응실험에서 설정된 온도 값이다. 도 4, 도 6과 도 8의 세로축은 메탄의 전환율이며, 도 5와 도 7 및 도 9의 세로축은 생성물의 선택도이다. The experimental conditions were 80 mg of catalyst and the concentration of methane supplied was set to 500 ppm. The concentration of ozone, an oxidizing agent, was adjusted to 2,500 ppm, and w/f was the same at 1.5 mg·min/ml. The horizontal axis of all drawings is the temperature value set in the isothermal reaction experiment. The vertical axes of FIGS. 4, 6, and 8 represent the conversion rate of methane, and the vertical axes of FIGS. 5, 7, and 9 represent the selectivity of the product.

도 4는 SiO2/Al2O3 몰 비율이 25인 산형 BEA 제올라이트를 이용해 제조한 구리 이온교환 촉매(Cu-HBEA, Cu/Al의 몰 비율 0.26)의 저농도 메탄 연소성능을 보여준다. Figure 4 shows the low-concentration methane combustion performance of a copper ion exchange catalyst (Cu-HBEA, molar ratio of Cu/Al 0.26) prepared using acid-type BEA zeolite with a SiO 2 /Al 2 O 3 molar ratio of 25.

도 4를 참조하면, 온도가 증가함에 따라 메탄 전환율이 향상되는 것을 확인할 수 있었으며, 150°C에서 메탄의 70.5%가 전환된 후 이상의 온도에서는 온도가 증가할수록 메탄의 전환율이 감소되는 것을 확인하였다. Referring to Figure 4, it was confirmed that the methane conversion rate improved as the temperature increased, and after 70.5% of methane was converted at 150°C, it was confirmed that the methane conversion rate decreased as the temperature increased at the temperature above.

이는 150℃ 이상으로 온도가 높아지면 오존의 열분해가 가속되어 가용 오존농도가 낮아지기 때문이다.This is because when the temperature rises above 150℃, the thermal decomposition of ozone is accelerated and the available ozone concentration decreases.

도 5에 도시된 생성물 선택도에서 100℃ 이하의 온도에서 전환된 메탄의 60%가 일산화탄소로 전환되었으나, 그 이상의 온도에서는 전환된 메탄의 70% 이상이 이산화탄소로 전환되었다.In the product selectivity shown in Figure 5, 60% of the converted methane was converted to carbon monoxide at a temperature below 100°C, but at a temperature above that, more than 70% of the converted methane was converted to carbon dioxide.

도 4 내지 도 5의 결과는 해당 촉매와 오존 산화제가 함께 적용되었을 때 매우 강력한 저농도 메탄 산화성능을 150℃ 부근의 저온에서 확보할 수 있음을 보여주고 있다.The results in Figures 4 and 5 show that when the catalyst and ozone oxidizer are applied together, very strong low-concentration methane oxidation performance can be secured at a low temperature around 150°C.

도 6은 SiO2/Al2O3 몰 비율이 23인 산형 ZSM-5 제올라이트를 이용해 제조한 구리 이온교환 촉매(Cu-HZSM-5, Cu/Al의 몰 비율 0.24)의 저농도 메탄 연소 성능을 보여준다. Figure 6 shows the low-concentration methane combustion performance of a copper ion exchange catalyst (Cu-HZSM-5, Cu/Al molar ratio 0.24) prepared using acid-type ZSM-5 zeolite with a SiO 2 /Al 2 O 3 molar ratio of 23. .

해당 촉매 또한 175°C에서 최대 33.1%의 메탄 전환율을 보여주며, 온도 구간에 따라 전환된 메탄의 50 내지 100%가 이산화탄소로 전환되었음을 알 수 있다. The catalyst also shows a methane conversion rate of up to 33.1% at 175°C, and it can be seen that 50 to 100% of the converted methane was converted to carbon dioxide depending on the temperature range.

도 6의 ZSM-5 촉매와 BEA 촉매 간 활성 차이는 촉매 상에 발달된 구리이온 활성종의 화학적 차이에 기인한 것으로 보인다. The difference in activity between the ZSM-5 catalyst and the BEA catalyst in Figure 6 appears to be due to the chemical difference in the active copper ion species developed on the catalyst.

도 8 내지 도 9는 SiO2/Al2O3 몰 비율이 23인 소듐염의 ZSM-5 제올라이트를 이용해 제조한 구리 이온교환 촉매(Cu-NaZSM-5, Cu/Al의 몰 비율 0.24)의 저농도 메탄 연소성능을 보여준다. Figures 8 and 9 show low concentration methane of a copper ion exchange catalyst (Cu-NaZSM-5, molar ratio of Cu/Al 0.24) prepared using ZSM-5 zeolite of sodium salt with a SiO 2 /Al 2 O 3 molar ratio of 23. Shows combustion performance.

도 8 내지 도 9의 촉매는 도 6 내지 도 7의 동일구조의 산형촉매와 비교하였을 때, 산점 유무에 따라 150°C 이상의 온도에서 메탄 전환율이 소폭 향상된 것이 관찰되었지만 성능 측면에서 유의미한 수준의 차이라 볼 수는 없다. 결국 산점보다는 특정 구리이온 활성종의 분포가 성능 확보 차원에서 중요하다는 것을 알 수 있다. When comparing the catalysts in Figures 8 and 9 with the acid-type catalysts of the same structure in Figures 6 and 7, it was observed that the methane conversion rate was slightly improved at a temperature of 150°C or higher depending on the presence or absence of acid sites, but the difference was significant in terms of performance. You can't see it. In the end, it can be seen that the distribution of specific copper ion active species rather than acid points is more important in securing performance.

(실시예 2) 산화제인 오존의 농도에 따른 Cu-HBEA 촉매의 저농도 메탄 연소 성능의 비교(Example 2) Comparison of low-concentration methane combustion performance of Cu-HBEA catalyst according to the concentration of ozone, an oxidizing agent.

도 10은 메탄 500 ppm에 따른 오존의 농도를 2,200~3,000 ppm으로 증가하며 저농도 메탄 연소성능을 그래프로 나타낸 것이다. Figure 10 is a graph showing low-concentration methane combustion performance as the concentration of ozone increases from 2,200 to 3,000 ppm according to 500 ppm of methane.

사용된 촉매는 150°C에서 가장 높은 메탄 전환율을 보인 도 4 내지 도 5의 의 Cu-HBEA 촉매이며, 사용된 촉매량은 80 mg, w/f는 1.5 mg·min/ml으로 동일하게 설정된 상태에서 실험이 수행되었다. 오존의 농도에 따른 각각의 연소성능을 비교했을 때 오존 농도가 높은 3,000 ppm의 경우 175°C에서 49.4%의 메탄 전환율로 가장 높았으며, 메탄농도 대비 오존의 농도가 증가함에 따라 메탄 전환율은 증가하는 경향을 보였다. The catalyst used was the Cu-HBEA catalyst of Figures 4 and 5, which showed the highest methane conversion rate at 150°C, with the catalyst amount used being 80 mg and w/f set to 1.5 mg·min/ml. An experiment was performed. When comparing combustion performance according to ozone concentration, the high ozone concentration of 3,000 ppm showed the highest methane conversion rate of 49.4% at 175°C, and the methane conversion rate increased as the ozone concentration increased compared to the methane concentration. showed a trend.

상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.The above-described embodiments of the present invention have been disclosed for illustrative purposes, and those skilled in the art will be able to make various modifications, changes, and additions within the spirit and scope of the present invention, and such modifications, changes, and additions will be possible. should be regarded as falling within the scope of the patent claims below.

Claims (7)

대기 중 1 부피퍼센트 이하의 저농도의 메탄과 오존의 농도 비가 1:4 내지 1:6 범위를 갖는 조건 하에서 상기 메탄을 125 내지 175°C 온도에서 연소시키기 위해 SiO2 및 Al2O3를 포함하는 산형 BEA 제올라이트에 구리가 이온 교환되며, Cu/Al 몰 비율은 0.20 내지 0.30 범위를 갖는 제올라이트 촉매.To burn the methane at a temperature of 125 to 175°C under conditions where the concentration ratio of methane and ozone at a low concentration of 1 volume percent or less in the atmosphere is in the range of 1:4 to 1:6, comprising SiO 2 and Al 2 O 3 A zeolite catalyst in which copper is ion-exchanged to acid-type BEA zeolite, and the Cu/Al molar ratio is in the range of 0.20 to 0.30. 삭제delete 삭제delete 대기 중 1 부피퍼센트 이하의 저농도의 메탄과 오존의 농도 비가 1:4 내지 1:6 범위를 갖는 조건 하에서 상기 메탄을 125 내지 175°C 온도에서 연소시키기 위한 제올라이트 촉매의 제조 방법으로서,
암모늄 염 형태의 제올라이트를 미리 설정된 시간 및 온도에서 열처리하여 수소 양이온이 알루미늄 음이온에 결합된 SiO2 및 Al2O3를 포함하는 산형 BEA 제올라이트로 변환하는 단계;
질산구리 수용액에 상기 산형 제올라이트를 첨가하여 교반하는 단계;
여과 장치를 통해 고체상 촉매를 분리하는 단계;
상기 분리된 고체상 촉매를 세척 및 건조하는 단계; 및
상기 세척 및 건조된 고체상 촉매를 소성하여 구리가 이온교환된 촉매를 제조하는 단계를 포함하되,
Cu/Al 몰 비율은 0.20 내지 0.30 범위를 갖는 제올라이트 촉매의 제조 방법.
A method for producing a zeolite catalyst for combustion of methane at a temperature of 125 to 175 ° C under conditions in which the concentration ratio of methane and ozone at a low concentration of 1 volume percent or less in the atmosphere is in the range of 1:4 to 1:6, comprising:
Converting zeolite in ammonium salt form into acid-type BEA zeolite containing SiO 2 and Al 2 O 3 in which hydrogen cations are bonded to aluminum anions by heat treating them at a preset time and temperature;
Adding and stirring the acid-type zeolite to an aqueous copper nitrate solution;
separating the solid phase catalyst through a filtration device;
Washing and drying the separated solid phase catalyst; and
Comprising the step of calcining the washed and dried solid catalyst to prepare a catalyst in which copper is ion-exchanged,
A method for producing a zeolite catalyst wherein the Cu/Al molar ratio is in the range of 0.20 to 0.30.
메탄의 저온 연소를 위한 촉매반응시스템으로서,
산소 또는 공기의 산화 반응을 통해 생성된 오존을 공급하는 유전체 방전 플라즈마 (Dielectric barrier discharge, 이하 DBD) 반응기; 및
SiO2 및 Al2O3를 포함하는 산형 BEA 제올라이트에 구리가 이온교환된 제올라이트 촉매가 충전되며, 상기 DBD 반응기로부터 공급되는 오존을 이용하여 대기 중 1 부피퍼센트 이하의 저농도의 메탄을 125 내지 175°C 온도에서 연소시키는 촉매연소반응기를 포함하되,
상기 메탄과 오존의 농도 비가 1:4 내지 1:6 범위를 가지며,
Cu/Al 몰 비율은 0.20 내지 0.30 범위를 갖는 촉매반응시스템.




As a catalytic reaction system for low-temperature combustion of methane,
A dielectric discharge plasma (Dielectric barrier discharge, DBD) reactor that supplies ozone generated through an oxidation reaction of oxygen or air; and
An acid-type BEA zeolite containing SiO 2 and Al 2 O 3 is charged with a zeolite catalyst in which copper is ion-exchanged, and methane at a low concentration of 1 volume percent or less in the atmosphere is emitted at 125 to 175° using ozone supplied from the DBD reactor. Including a catalytic combustion reactor that burns at a temperature of C,
The concentration ratio of methane and ozone is in the range of 1:4 to 1:6,
A catalytic reaction system where the Cu/Al molar ratio is in the range of 0.20 to 0.30.




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